銀國偉，孫愛英

（江蘇時代演藝設(shè)備有限公司北京分公司，北京 100026）

1 前言

近代由歐洲傳入我國的歌劇/舞劇劇場，在舞臺前面均設(shè)有下沉樂池。隨著劇目的創(chuàng)新，演出逐漸需要突破臺口的限制，為了能充分利用下沉樂池區(qū)域進行表演，用活動蓋板覆蓋下沉樂池進行演出，從而拉近了觀眾與演員的距離。

隨著時代進步和經(jīng)濟發(fā)展，歌劇/舞劇劇場樂池區(qū)域一般都設(shè)置了升降臺，替代了搭建耗時費力的活動蓋板。升降臺可通過電動方式停留在需要的預(yù)定位置，實現(xiàn)多種功能。如，停在舞臺面時，可作為伸出臺供演出使用；停在觀眾席地面時，可以增加觀眾座椅；停在樂池標高時，可以供樂隊或合唱隊使用。

2 設(shè)計條件

見表1。

表1 海南半島音樂廳樂池升降臺設(shè)計參數(shù)

3 傳動方式的選擇及布置

3.1 傳動方式的選擇

升降臺傳動方式多種多樣，常見的有鋼絲繩傳動、鏈條傳動、剪刀撐傳動、絲杠傳動、齒輪齒條傳動、剛性鏈傳動、大螺旋傳動以及液壓傳動等。

由于鋼絲繩傳動和鏈條傳動所需的基坑深度較大，而該樂池升降臺基坑底部標高為-7.7 m，運行的最低位置標高為-5.5 m，其基坑深度僅為2.2 m，如圖1所示，因此鋼絲繩和鏈條傳動不適合該樂池升降臺。

圖1 樂池基坑側(cè)剖圖

由于樂池位于臺口與觀眾席之間，距離前排觀眾很近，而絲杠傳動、齒輪齒條傳動和大螺旋傳動普遍存在噪聲過大的問題，因此也不宜采用。

剪刀撐傳動主要用于行程較小的情況，當行程較大時，需要多級剪刀撐傳動，可能存在運行不穩(wěn)的問題，而此樂池升降臺要求行程為5.5 m，因此不予采用。

液壓傳動由于存在泄露隱患，可能致使傳動比無法十分精確，而且單獨對劇場中的樂池升降臺設(shè)備設(shè)置液壓泵站，也不經(jīng)濟。

最終，本方案選擇剛性鏈的傳動方式。由于鏈條可水平存儲，因此可以滿足淺基坑、大行程的要求。傳動原理如圖2所示。

圖2 剛性鏈傳動原理圖

3.2 傳動方式的布置

3.2.1 使用4根剛性鏈頂升方案

當選擇4根剛性鏈頂升方案時，每條剛性鏈承受的動載和靜載分別計算如下：

其中：

Fzd——樂池升降臺需要承受的總動載，F(xiàn)zd=(Fd+Fg+Fm)×A；

Fd——樂池升降臺單位面積的設(shè)計動載，已知，F(xiàn)d=2.5kN/m2；

Fg——樂池升降臺鋼結(jié)構(gòu)自重，采用型鋼結(jié)構(gòu)，預(yù)估Fg=1.0 kN/m2；

Fm——樂池升降臺表面木地板自重，采用國產(chǎn)楓木，預(yù)估Fm=0.5 kN/m2；

A——樂池升降臺面積，A=80 m2。

則，F(xiàn)zd=(Fd+Fg+Fm)×A=(2.5+1.0+0.5)×80=320 kN；

其中：

Fzj——樂池升降臺總靜載，F(xiàn)zj=(Fj+Fg+Fm)×A；

Fj——樂池升降臺單位面積設(shè)計靜載，由設(shè)計參數(shù)已知，F(xiàn)j=5.0 kN/m2；

則，F(xiàn)zj=(Fj+Fg+Fm)×A=(5.0+1.0+0.5)×80=520kN；

根據(jù)剛性鏈技術(shù)手冊，動載運行范圍和靜載運行范圍，如圖3、圖4所示。

圖3 動載運行范圍

圖4 靜載運行范圍

隨著行程的增大，可承受的載荷下降，根據(jù)計算所得單根剛性鏈所需承受的動載和靜載，選擇型號為LL100R的剛性鏈。

3.2.2 使用6根剛性鏈頂升方案

如果按照6根剛性鏈頂升方案來計算，

則，單根剛性鏈所需承受的動載：

根據(jù)剛性鏈技術(shù)手冊，選擇型號為LL100的剛性鏈。

兩種剛性鏈型號的區(qū)別在于，LL100R型號的剛性鏈輸入軸處采用了花鍵形式，其承載能力大大提升，但價格也高于LL100型號。6根剛性鏈的方案雖然在臺體鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計上可以減小跨度，降低臺體結(jié)構(gòu)的用鋼量，但與4根剛性鏈的方案相比則多了2根LL100型號剛性鏈，還增加了一套減速機構(gòu)和傳動軸部件。經(jīng)詢價估算，確定了采用4根LL100R型剛性鏈的傳動布置方案。布置形式如圖5所示。

圖5 樂池升降臺剛性鏈傳動方式布置圖

4 電機、減速機選型

4.1 電機功率計算及選型

其中：

樂池升降臺需要承受的總動載已計算得知為，F(xiàn)zd=320kN；

v——升降臺運行速度，已知，v=0.1 m/s；

η1——減速電機效率：η1=0.96；

η2——萬向聯(lián)軸器效率：η2=0.92；

η3——二級減速機效率：η3=0.93；

η4——剛性鏈效率：η4=0.8；

η5——鼓形齒聯(lián)軸器效率：η5=0.93；

總 效 率η=η1×η2×η3×η4×η5=0.96×0.92×0.93×0.8×0.93=0.61；

查產(chǎn)品手冊，選擇電機功率為P=55 kW，型號為DV250M4。

所選電機功率能夠滿足升降臺動載和速度要求。

電機輸出轉(zhuǎn)速，Nd=1475 r/min；輸出扭矩，Td=356 Nm；電機標配制動器制動力矩，Tz=600 Nm。

4.2 總減速比計算

因為升降臺運行速度即剛性鏈頂升速度，根據(jù)速度與轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)換公式可知，剛性鏈輸出轉(zhuǎn)速，

其中：

v——升降臺運行速度，已知，v=0.1 m/s；

R——剛性鏈幾何半徑，即其輸入軸中心至受力銷軸中心的距離；

查剛性鏈技術(shù)手冊，如圖6所示，LL100R型號的剛性鏈，R=100 mm；

圖6 剛性鏈幾何尺寸圖

則，

4.3 減速比分配及一級減速機選型

由于總減速比較大，因此采用兩級減速的方式，如圖5所示。

查產(chǎn)品手冊，選擇與功率P=55 kW電機相適應(yīng)的最小速比的一級減速機。

其速比：i1=4.68，查該品牌減速機手冊，選擇一級減速機型號為F127；

其中：i1——一級減速機速比；i2——二級減速機理論速比。

4.4 二級減速機扭矩計算

由于兩側(cè)各布置一臺二級減速機，如圖5所示，

其中：

Fzj——樂池升降臺總靜載；

R——剛性鏈幾何半徑。

4.5 二級減速機選型

根據(jù)二級減速機速比和扭矩，查產(chǎn)品手冊，選擇二級減速機型號為B3SH8，實際輸出扭矩為T實=27.2 kNm＞26 kNm，實際速比i2實=32.084＜33.01。

因此，所選一級和二級減速機型號能夠滿足升降臺載荷和速度要求。

5 制動器選型

由于樂池升降臺屬升降類型設(shè)備，且其上有樂隊、演員或觀眾存在，因此安全性十分重要。在升降臺的傳動布置方案中，采用了兩級制動的方式，即在電機尾部配置一個一級制動器，在一級減速機與二級減速機之間配置液壓抱閘式二級制動器，左右各一個。兩級制動相互獨立，任一級制動均可制動升降臺，如圖5所示。

5.1 一級制動器計算校核

其中：

根據(jù)Fzd=(Fd+Fg+Fm)×A，樂池升降臺需要承受的總動載，F(xiàn)zd=320 kN；

根據(jù)Fzj=(Fj+Fg+Fm)×A，樂池升降臺需要承受的總靜載，F(xiàn)zj=520 kN；

r——剛性鏈驅(qū)動輪節(jié)圓半徑，

查剛性鏈手冊，如圖6所示，可知，r=0.11 m；

根據(jù)前述電機選型計算可知，

所選電機額定輸出扭矩，Td=356 Nm＞Td1=234.4 Nm，

故，所選電機輸出扭矩能夠滿足升降臺動載荷要求；

所選電機制動力矩Tz=600 Nm，Tz=600 Nm＞Tz1=380.9 Nm

對于舞臺機械，一般制動力矩為輸出力矩的1.5～1.8倍，因此電機標配制動器的制動力矩滿足升降臺靜載荷要求。

5.2 二級制動器計算選型

根據(jù)1.5～1.8倍的安全倍數(shù)，查產(chǎn)品手冊，選擇制動器型號為YWZ9-500/E201，制動力矩2000 Nm～4000 Nm，制動力矩滿足升降臺靜載荷要求。

6 臺體設(shè)計計算

由于采取剛性鏈頂升的方式，臺體跨度較小，因此，采用型鋼結(jié)構(gòu)，在樂池升降臺進深方向布置兩根主梁，在寬度方向的左右兩側(cè)布置兩根主梁，然后在進深方向的主梁上布置次梁。結(jié)構(gòu)布置如圖7所示。

圖7 臺體結(jié)構(gòu)布置圖

6.1 模型簡化

將樂池升降臺簡化為帶懸臂的簡支梁模型，如圖8所示。

圖8 臺體結(jié)構(gòu)簡化模型圖

6.2 型材選用

依據(jù)類似設(shè)計經(jīng)驗，首先選定一種型材作為主梁進行試算。

如H型鋼，HN400×200×8×13。

6.2.1 抗彎強度計算

根據(jù)機械設(shè)計手冊，

其抗彎截面系數(shù)，w=1.14×10-3m3

最大彎矩，

兩端彎矩，

其中，根據(jù)樂池升降臺左右寬度取梁總長度為L=l+2 m=16 m，并??；即，l=10 m，m=3 m。

根據(jù)樂池升降臺所受總靜載，將其簡化至均勻受力于進深方向的前后兩根主梁上可知，

因此，可得最大彎矩，

已知，Q235材料的許用應(yīng)力[σ]=215 Mpa，取安全系數(shù)n=2，

兩端彎矩作用下的應(yīng)力為，

由上述計算可知，雖然兩端彎矩作用下的應(yīng)力滿足材料抗彎許用應(yīng)力，但最大彎矩作用下的應(yīng)力不能滿足材料抗彎許用應(yīng)力，因此該型材不能使用，需更換強度更大的型材。

6.2.2 確定型材

經(jīng)反復(fù)選擇不同型材以及取不同的λ值，

最終確定主梁型材采用HN500×200×10×16。

最大彎矩作用下的正應(yīng)力，

兩端彎矩作用下的正應(yīng)力，

由計算可知，最大彎矩作用下的正應(yīng)力和兩端彎矩作用下的正應(yīng)力均滿足材料許用應(yīng)力，材料能夠使用。

6.2.3 剛度核算

其中，E——Q235鋼彈性模量，E=207 Gpa。

I——HN500×200×10×16型鋼慣性矩，查手冊可知，I=4.6×10-4m4

因此，最大撓度，

其中，L——梁總長度，L=l+2 m=16 m。

其中負號代表方向，

因此，最大撓度和兩端撓度均滿足要求。

同理，選定次梁型材為矩形鋼管120×60×6×6。并通過反復(fù)計算λ值，確定了前后兩根主梁間距為3.2 m，從而，樂池升降臺剛性鏈的頂升位置也得以確定。

7 導向設(shè)計

為保證升降臺在升降過程中不傾斜，設(shè)計了滑槽式導向系統(tǒng)，如圖9所示。導軌安裝于樂池升降臺之外的兩側(cè)立柱上，導靴與樂池升降臺固接。導向系統(tǒng)能夠承受一定程度的側(cè)向載荷，可防止剛性鏈在側(cè)向力作用下的彎曲。導靴內(nèi)側(cè)設(shè)有聚氨酯材料，可降低升降過程中的噪音。

圖9 導軌導靴圖

8 結(jié)論

經(jīng)過設(shè)計計算，確定了樂池升降臺的傳動方式及布置方案，選擇了合適的驅(qū)動電機、一級和二級減速機以及一級和二級制動器，確定了臺體結(jié)構(gòu)的主梁和次梁，并設(shè)計了導向系統(tǒng)。根據(jù)計算結(jié)果，樂池升降臺的行程、速度、載荷等各項技術(shù)指標符合設(shè)計參數(shù)要求，能夠滿足功能性和安全性要求。